基于ERP的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法研究

沈擎陽(yáng)　薛澄岐　牛亞峰

摘要：幾年來(lái)，人機(jī)交互界面在操作邏輯和表現(xiàn)形式上都發(fā)生著日新月異的變化。學(xué)者和設(shè)計(jì)從業(yè)者開(kāi)始尋求新的，更為客觀理性的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法及評(píng)價(jià)方法，本文綜合運(yùn)用腦電科學(xué)，認(rèn)知心理學(xué)等學(xué)科，建立基于ERP闖值的人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法。為設(shè)計(jì)從業(yè)者及研究人員提供界面設(shè)計(jì)指導(dǎo)，也為界面設(shè)計(jì)提供科學(xué)可靠的理論依據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：人機(jī)界面 界面設(shè)計(jì)要素 平衡度計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2018）03-0134-02

引言

人機(jī)界面正在經(jīng)歷著飛速的發(fā)展，人機(jī)交互數(shù)字界面經(jīng)歷了三次巨大的變革，無(wú)論是操作邏輯還是表現(xiàn)形式上都越來(lái)越易于學(xué)習(xí)和使用。從最初的指令式界面發(fā)展到后來(lái)的圖像用戶(hù)界面，而到了自然交互界面時(shí)代，用戶(hù)在與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互時(shí)無(wú)需學(xué)習(xí)成本，使用自然的肢體和語(yǔ)言就可以和系統(tǒng)進(jìn)行流暢的交流實(shí)現(xiàn)功能的使用。

在現(xiàn)階段，數(shù)字界面設(shè)計(jì)已經(jīng)有了非常明確成熟的，包含三個(gè)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。第一個(gè)設(shè)計(jì)階段是需求分析階段。用戶(hù)界面設(shè)計(jì)是以用戶(hù)為中心的設(shè)計(jì)使用客觀有效的用戶(hù)調(diào)研方法洞察和了解用戶(hù)的需和求是非常重要的設(shè)計(jì)流程。第二個(gè)階段是界面設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)者要根據(jù)用戶(hù)調(diào)研結(jié)果設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足其需求的功能，建立可以實(shí)現(xiàn)功能的邏輯架構(gòu)和交互流程，并完成數(shù)字界面的表現(xiàn)層視覺(jué)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師首先需要在明確用戶(hù)需求和產(chǎn)品目標(biāo)的基礎(chǔ)上制定和規(guī)范功能規(guī)格和內(nèi)容需求。綜合考慮色彩的搭配、字體的選擇以及界面布局、圖標(biāo)和導(dǎo)航等元素的使用，來(lái)賦予用戶(hù)界面最佳的視覺(jué)呈現(xiàn)和感知體驗(yàn)。第三階段是界面可用性評(píng)價(jià)階段，這一階段是評(píng)估人機(jī)交互效率和界面表現(xiàn)方式及UI界面的用戶(hù)滿(mǎn)意度，來(lái)確保用戶(hù)界面可以在可用性、可學(xué)性和有效性這三個(gè)指標(biāo)上滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求，這三個(gè)方面也是數(shù)字界面可用性評(píng)價(jià)和測(cè)試過(guò)程中最重要的方面。

近年研究顯示，事件相關(guān)電位的波幅、潛伏期被認(rèn)為是十分有效的，可以用來(lái)評(píng)價(jià)界面可用性的生理指標(biāo)。本文將數(shù)字界面視覺(jué)設(shè)計(jì)和神經(jīng)科學(xué)進(jìn)行融合研究，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)字界面解構(gòu)和分類(lèi)得到的視覺(jué)信息元素進(jìn)行ERP腦電實(shí)驗(yàn)研究，分析處理實(shí)驗(yàn)得出的反應(yīng)時(shí)、準(zhǔn)確率以及腦電波波幅或潛伏期等數(shù)據(jù)，結(jié)合主觀測(cè)評(píng)、行為測(cè)試和腦電測(cè)試可學(xué)定量地評(píng)價(jià)界面可用性，提出基于事件相關(guān)電位的數(shù)字界面設(shè)計(jì)方法。

一、人機(jī)交互界面視覺(jué)元素解構(gòu)

人機(jī)交互界面內(nèi)包含有大量的對(duì)用戶(hù)能產(chǎn)生視覺(jué)感官刺激的視覺(jué)元素，使用戶(hù)在進(jìn)行人機(jī)交互時(shí)的腦電波產(chǎn)生影響，所以對(duì)界面中所有視覺(jué)元素開(kāi)展分析和解構(gòu)工作成為開(kāi)展數(shù)字界面腦電實(shí)驗(yàn)前一個(gè)不可缺少的關(guān)鍵步驟。在對(duì)視覺(jué)元素解構(gòu)完成之后就可對(duì)這些一個(gè)個(gè)單獨(dú)的視覺(jué)元素開(kāi)展它們相關(guān)的腦電實(shí)驗(yàn)。

如今，已可以通過(guò)很多種分類(lèi)方法來(lái)對(duì)數(shù)字界面的視覺(jué)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類(lèi)，以宏觀的角度分類(lèi)，數(shù)字界面視覺(jué)元素可以被解構(gòu)為圖形、色彩、質(zhì)感以及交互。而界面視覺(jué)元素已微觀的角度來(lái)解構(gòu)則可被分為圖標(biāo)、文字、色彩、導(dǎo)航、布局、控件以及交互。圖標(biāo)作為計(jì)算機(jī)圖形擁有明確的語(yǔ)義，以簡(jiǎn)潔的圖標(biāo)或抽象的符號(hào)來(lái)指代信息，在圖標(biāo)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意圖標(biāo)使用系統(tǒng)所在行頁(yè)的專(zhuān)業(yè)性，以及語(yǔ)義重疊在系統(tǒng)中的運(yùn)用?？丶鳛閳D形用戶(hù)界面中構(gòu)件的總和，包括窗口、菜單、列表、按鈕、文本框、滾動(dòng)條等。在控件的設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意選擇合理的導(dǎo)航方式，控制界面控件的視覺(jué)上的統(tǒng)一性來(lái)確保控件的有序性。布局是對(duì)數(shù)字界面上的視覺(jué)元素分布排列的設(shè)計(jì)過(guò)程，優(yōu)秀的布局設(shè)計(jì)可以降低用戶(hù)在交互過(guò)程中的認(rèn)知負(fù)荷，提高用戶(hù)滿(mǎn)意度。交互作為人與數(shù)字界面之間的一種互動(dòng)機(jī)制使用戶(hù)在使用系統(tǒng)功能時(shí)高效且擁有良好的用戶(hù)體驗(yàn)。在交互動(dòng)作的設(shè)計(jì)過(guò)程中要體現(xiàn)三個(gè)特性，首先是隱喻性即交互要符合用戶(hù)的心智模型，其次是高效性即交互動(dòng)作必須能夠高效地完成學(xué)習(xí)傳遞，第三個(gè)特性是趣味性即交互動(dòng)作與交互反饋應(yīng)在保證效率的前提下增加用戶(hù)的愉悅感。

二、ERP腦電實(shí)驗(yàn)在人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

（一）腦電技術(shù)的相關(guān)概念

事件相關(guān)電位（ERP，event-related potential）是人腦的高級(jí)功能電位。ERP是從自發(fā)電位（EEG）中經(jīng)過(guò)腦電波分析軟件計(jì)算分析而獲得的。事件相關(guān)電位是指與判斷、注意、感知、決策及工作記憶內(nèi)容等認(rèn)知過(guò)程聯(lián)相關(guān)聯(lián)的腦電位變化。

近年來(lái)的研究表明，事件相關(guān)電位（ERPs）的波幅和潛伏期被認(rèn)為是反映人認(rèn)知負(fù)荷的非常重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。潛伏期可以被分為峰潛期和峰間潛伏期。峰潛期指的是從刺激開(kāi)始到波峰之間的時(shí)間間隔。峰間潛伏期則指的是一個(gè)波峰到另一個(gè)波峰的時(shí)間間隔。波幅是波頂?shù)讲ǖ组g的垂直高度，它表示的是腦電活動(dòng)的程度，又稱(chēng)振幅或電壓，一般以微伏為單位來(lái)表示。

在ERP研究工作中，腦電實(shí)驗(yàn)范式的選擇是其中重要組成部分，Oddball范式和Go-Nogo實(shí)驗(yàn)范式是在對(duì)數(shù)字界面視覺(jué)元素做腦電實(shí)驗(yàn)分析時(shí)通常會(huì)使用到的兩種實(shí)驗(yàn)范式。1.Oddball范式指的是在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中對(duì)被試施加兩種同一感覺(jué)通道上的刺激，一種刺激出現(xiàn)的頻率很高概率很大，而另一種刺激頻率很低，這種出現(xiàn)頻率很低的偶發(fā)刺激被稱(chēng)為偏差刺激。2.Go-Nogo實(shí)驗(yàn)范式是一種以標(biāo)準(zhǔn)刺激與偏差刺激相同概率出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)范式。靶刺激（Go刺激）是指被試需要對(duì)它作反應(yīng)的刺激；Nogo刺激在實(shí)驗(yàn)中被試作不需要對(duì)它做出任何反應(yīng)。Go-Nogo范式在腦電實(shí)驗(yàn)中會(huì)有效產(chǎn)生N2，P3，MMN等腦電成分。

（二）ERP在人機(jī)交互領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

目前，ERP腦電實(shí)驗(yàn)已成為在人機(jī)交互設(shè)計(jì)中分析用戶(hù)使用界面時(shí)的認(rèn)知符合以及評(píng)價(jià)界面可用性的一種有效方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者用ERP實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為參考來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)字界面可用性?xún)?yōu)劣。Alexandra在績(jī)效測(cè)量和主觀測(cè)評(píng)的基礎(chǔ)上還從生理測(cè)量的層面對(duì)無(wú)人駕駛汽車(chē)中控界面進(jìn)行了可用性評(píng)估，由此來(lái)對(duì)用戶(hù)行為的認(rèn)知績(jī)效方面的表現(xiàn)和特性進(jìn)行全面考察。在ERP腦電研究領(lǐng)域，Ullsperger等人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)顯示，P300隨著任務(wù)需求量的變化而變化，隨著記憶數(shù)字量的增多，P300的幅度變大。并且實(shí)驗(yàn)中錯(cuò)誤率和主觀任務(wù)難易值是呈正相關(guān)。Rasmussen等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在認(rèn)知任務(wù)中表現(xiàn)要比基于情感任務(wù)中表現(xiàn)低很多，這表明P300的波幅是隨著任務(wù)類(lèi)的差異型而發(fā)生變化。Wilson等人在做有關(guān)地形圖分析的空間認(rèn)知任務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，P300波的潛伏期會(huì)隨著分析任務(wù)難度增加而縮短。Brunken則闡述了在多媒體學(xué)習(xí)中直接測(cè)量認(rèn)知負(fù)荷的雙任務(wù)法的概念基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用。這種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方法提供了一種結(jié)合直接和客觀的措施，彌補(bǔ)了其他間接和主觀實(shí)驗(yàn)方法的缺點(diǎn)，使研究人員能夠驗(yàn)證認(rèn)知負(fù)荷理論的經(jīng)驗(yàn)理論預(yù)測(cè)。

三、基于ERP腦電實(shí)驗(yàn)的交互界面設(shè)計(jì)方法探索

（一）基于ERP閾值的人機(jī)界面可用性評(píng)價(jià)模型

在交互界面設(shè)計(jì)流程之中，可用性評(píng)估階段時(shí)在需求分析和界面設(shè)計(jì)之后的第三個(gè)階段。用戶(hù)對(duì)界面滿(mǎn)意度測(cè)試以及用戶(hù)的行為測(cè)試是界面設(shè)計(jì)中可用性評(píng)價(jià)兩個(gè)重要組成部分。易用性、易學(xué)習(xí)性、用戶(hù)滿(mǎn)意度是數(shù)字界面滿(mǎn)意度測(cè)試中最為有效的三個(gè)維度。使用主觀評(píng)測(cè)法和灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法對(duì)數(shù)字界面樣本中的圖標(biāo)、控件、色彩進(jìn)行可用性評(píng)價(jià)并分析其優(yōu)劣度。由此可以獲得一批已知可用性?xún)?yōu)劣程度的數(shù)字界面實(shí)驗(yàn)樣本，為下面的ERP腦電實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供參考。

對(duì)數(shù)字界面進(jìn)行解構(gòu)，將其視覺(jué)信息按元素分類(lèi)，開(kāi)展腦電實(shí)驗(yàn)獲得用戶(hù)在執(zhí)行這些針對(duì)界面視覺(jué)元素的實(shí)驗(yàn)任務(wù)過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)腦電指標(biāo)。結(jié)合樣本在用戶(hù)主觀評(píng)價(jià)、滿(mǎn)意度測(cè)試和行為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的可用性，分析比對(duì)腦電指標(biāo)和樣本可用性之間聯(lián)系的ERP波幅以及潛伏期的變化規(guī)律。這里引入ERP閩值的概念，腦電信號(hào)的閾值在這里是指當(dāng)被試面對(duì)不同人機(jī)交互界面樣本刺激所產(chǎn)生的腦電波的波幅差異達(dá)到一定程度就可以引起這一對(duì)樣本的可用性?xún)?yōu)劣質(zhì)變，這種剛好可以反應(yīng)出數(shù)字界面可用性發(fā)生了優(yōu)劣質(zhì)變的腦電波潛伏期或波形幅度的最小差異百分比，就被稱(chēng)為ERP閩值。通過(guò)上述傳統(tǒng)界面可用性評(píng)價(jià)方法與ERP腦電實(shí)驗(yàn)的對(duì)照便可以總結(jié)出人機(jī)交互界面各視覺(jué)元素能引起可用性?xún)?yōu)劣變化的ERP閾值。由此得到基于ERP閾值的數(shù)字界面可用性評(píng)價(jià)模型。

（二）基于ERP閾值的人機(jī)界面設(shè)計(jì)方法

通過(guò)將上述基于ERP閾值的數(shù)字界面可用性評(píng)價(jià)模型引入到現(xiàn)有的總結(jié)出基于ERP閾值的數(shù)字界面視覺(jué)設(shè)計(jì)方法。對(duì)比已有的數(shù)字界面設(shè)計(jì)方法，利用傳統(tǒng)數(shù)字界面評(píng)價(jià)方法來(lái)分析評(píng)估這套基于ERP閾值的設(shè)計(jì)方法。主要內(nèi)容包括：1.總結(jié)出基于ERP閾值的數(shù)字界面設(shè)計(jì)方法。2.用此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一批數(shù)字界面樣本。3.利用主觀評(píng)測(cè)法對(duì)參與任務(wù)測(cè)試的用戶(hù)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)基于ERP閾值界面設(shè)計(jì)方法的合理性和可行性。

在這一基于ERP閾值的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法中，首先要對(duì)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)樣本的視覺(jué)元素進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)，將圖標(biāo)、導(dǎo)航欄、布局、色彩等界面信息元素單獨(dú)抽離出來(lái)分別對(duì)其設(shè)計(jì)腦電實(shí)驗(yàn)任務(wù)獲得用戶(hù)在執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)過(guò)程中的相關(guān)腦電指標(biāo)。然后對(duì)照基于ERP閾值的數(shù)字界面可用性評(píng)價(jià)模型，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否超出相應(yīng)視覺(jué)元素的ERP閩值便可得到該視覺(jué)元素的可用性?xún)?yōu)劣程度，以此來(lái)判斷評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)備選方案的優(yōu)劣與否。（圖1）給出了構(gòu)建基于ERP閾值的數(shù)字界面設(shè)計(jì)方法的一種技術(shù)路線，僅供參考。

結(jié)語(yǔ)

本文利用設(shè)計(jì)科學(xué)與界面可用性等領(lǐng)域的知識(shí)，在總結(jié)現(xiàn)有界面設(shè)計(jì)方法及評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，歸納出基于ERP閾值的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方法通過(guò)ERP技術(shù)對(duì)特征頻率波的提取和分析，獲得對(duì)應(yīng)于可用性評(píng)估指標(biāo)的頻率波，并獲取兩者的相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)ERP腦電曲線的分析，獲得引起界面可用性?xún)?yōu)劣質(zhì)變的ERP閾值，并提出基于ERP閾值的人機(jī)交互界面可用性評(píng)價(jià)模型，為今后通過(guò)腦生理進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)提供參考。